应用于聚合物微器件封装的超声波键合系统

论文摘要

随着MEMS技术的发展,聚合物材料被广泛的运用于微型器件制造。聚合物材料具有生物相容性的优点,而且聚合物种类繁多,价格低廉。聚合物微器件通过微注塑等方法批量生产。目前聚合物微器件广泛运用于生化微系统中,例如聚合物微流控芯片、微阀、微泵、微储液池等,聚合物微器件与芯片之间的封装键合成为十分重要的问题。本文通过对聚合物超声键合机理的分析,聚合物在超声波作用下的力学滞后效应,会导致键合面产生热量,是键合能量的来源。针对微器件的结构特点和封装要求,设计并搭建了用于微器件封装的超声波键合系统。超声波键合系统可划分为:键合控制单元,键合执行单元和检测单元,是一个高集成度的机电一体化系统。系统采用频率为60 kHz,振幅为3μm的超声波来对微器件进行键合。键合系统的特点是利用步进电机带动的直线运动平台代替气缸作键合施压和键合进给机构,利用电感测微和压力传感器构成的检测单元实现对键合过程精密检测,由工控机、运动控制卡、继电器卡、数据采集卡构成的数字化的控制单元。编写了基于虚拟仪器技术的控制软件,设计控制软件的结构和前面板。控制程序包括键合执行单元运动控制、超声波作用时间控制,键合参数的采集、分析、显示及储存,实现对键合过程的时事监控。利用该系统对PMMA微器件进行了键合实验,结果表明该系统很好地完成了对聚合物微器件的封装。研制的超声波键合系统为解决聚合物微器件的封装提供的一种有效的方法,具有一定的理论和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 聚合物微器件在MEMS领域的应用
• 1.2 聚合物微器件联结技术发展现状
• 1.2.1 机械联结
• 1.2.2 胶粘联结
• 1.2.3 热键合联结
• 1.3 超声波键合技术在聚合物器件联结发展现状
• 1.3.1 超声波键合技术
• 1.3.2 超声波键合技术在MEMS领域的应用现状
• 1.4 论文的主要内容及意义
• 2 聚合物微器件超声波键合系统的功能与方案论证
• 2.1 聚合物超声键合的分子学原理
• 2.2 超声波键合产热机理
• 2.3 系统总体构架方案论证
• 2.3.1 超声波声学系统
• 2.3.2 键合施压及键合进给机构
• 2.3.3 步进电机的控制方案
• 2.3.4 超声波通断控制
• 2.3.5 位移检测和压力检测
• 2.4 软件控制方式
• 2.5 微器件超声波键合系统总体构成
• 2.6 本章小结
• 3 聚合物微器件超声波键合系统硬件组成
• 3.1 键合执行单元
• 3.1.1 超声波声学系统
• 3.1.2 直线运动平台及步进电机
• 3.1.3 微器件定位和调平装置
• 3.2 键合控制单元
• 3.2.1 工控机
• 3.2.2 运动控制卡
• 3.2.3 混合式步进电机驱动器
• 3.2.4 继电器卡
• 3.2.5 数据采集卡
• 3.3 检测单元
• 3.3.1 键合压力检测
• 3.3.2 位移检测
• 3.4 本章小结
• 4 键合系统控制软件设计
• 4.1 软件开发平台
• 4.2 软件总体结构及前面板设计
• 4.2.1 软件总体结构
• 4.2.2 前面板设计
• 4.3 程序模块设计
• 4.3.1 键合模块
• 4.3.2 数据处理模块
• 4.4 本章小结
• 5 键合实验
• 5.1 实验材料
• 5.2 微器件键合
• 5.3 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢